국부교각세굴에서 마제형와의 부정류적 특성에 관한 실험적 해석

Abstract

교각 국부세굴에 있어서 세굴발생에 주요한 역할을 하는 마제형 와의 부정류적 특성을 수리실험을 통해 규명하였다. 이를 통해 교각 전면에서 발생하는 유사이송에 관한 물리적 이해를 도모하고자 하였다. 본 연구에서 kaolin 점토를 이용한 흐름의 가시화를 통하여 마제형와의 부정류적 특성을 관찰하였고, 음파 도플러 유속계(ADV)를 이용하여 유속과 난류 특성을 측정하였다. 교각 전면부 상류방향 한 지점에 대해서 세굴 발생 전과 평형세굴심 도달 후의 유속 및 난류 성분을 측정하여 비교·해석하였다. 세굴 발생전 바닥 전단응력이 평형 세굴심 도달 후의 값보다 4배정도 크게 나타났는데, 이는 마제형와의 부정류적 거동이 세굴공을 형성하는 초기 단계에 주요한 역할을 하는 것임을 말해 준다. 그러므로, 본 연구를 통하여 속도 변동 성분의 이정 분포는 마제형 와의 중요한 특성 중의 하나임을 알게 되었고, 이러한 마제형 와의 부정류적 특성은 교각 주위의 흐름 구조와 세굴 현상간의 관계를 이해하는 주요한 인자임을 알 수 있게 되었다.

The clear-water scour experiments were conducted to shed light on the unsteadiness of the horseshoe vortex around a bridge pier since the fluctuations of velocity components and unsteadiness of the horseshoe vortex can be considered as one of the main factors on local scour. The characteristics of the flow speed and turbulence around a bridge pier was examined using an Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) and the flow visualization with kaolin clay particles upstream of a bridge pier. The outcomes of this study on the turbulence characteristics related with scour mechanism were presented with the quadrant analysis, the integral time scales, and the bed shear stresses before and after scouring, respectively. The bed shear stress before scouring was approximately quadruple times higher than that of the equilibriums state. It implies that the unsteadiness of the horseshoe vortex would play a significant role in the initial development of scour depth. Therefore, the bimodal distribution of flow velocity was identified as one of the mechanical properties of the horseshoe vortex and the unsteadiness of horseshoe vortex can be one of the major characteristics to understand the flow sturucture and local pier scour.